Uutiset

Einsteinin ennustama haamuvuorovaikutus todennettu massiivisten kappaleiden välillä

Kvanttilomittuminen on nyt havaittu ensi kertaa makroskooppisissa objekteissa.
Aalto-yliopiston tutkijoiden työssä käytettiin piisirulle valmistettuja noin 15 mikrometrin levyisiä rumpukalvoja, jotka soivat korkealla ultraäänitaajuudella. Mittauksissa kahden rummun värähtelyistä saatiin luotua Einsteinin ennustama erikoinen kollektiivinen kvanttitila. Kuva: Aalto-yliopisto/Petja Hyttinen & Olli Hanhirova, ARKH arkkitehdit Oy.

Nature-lehdessä julkaistussa tutkimuksessa lähes ihmisen hiuksen levyiset rumpukalvot onnistuttiin saamaan haamuvuorovaikutukseen keskenään.

Albert Einstein totesi vuonna 1935, että kvanttimekaniikan lait sallisivat haamuvuorovaikutuksen toisistaan kaukana olevien alkeishiukkasten tai kappaleiden välillä. Myöhemmin lomittumiseksi (’entanglement’) kutsutussa ilmiössä hiukkaset vaikuttavat toisiinsa mielivaltaisten etäisyyksien päästä – arkijärjen ja klassisen fysiikan teorioiden vastaisesti – ilman suoraa vuorovaikutusta.

Lomittuminen on sittemmin kiistattomasti havaittu alkeishiukkasille suoritetuissa mittauksissa. Ilmiö on luonut perustan kvanttiteknologioiden, muun muassa kvanttitietokoneiden kehittämiselle. Niiden odotetaan mullistavan tietojenkäsittelyn ja tietoliikenteen lähivuosikymmeninä.

Erilaiset ympäristön häiriöt, etenkin lämpöliike, tosin rikkovat lomittumisen erittäin herkästi. Kvanttifysiikan tutkimuksessa onkin pitkään ajateltu, ettei haamuvuorovaikutusta voi esiintyä atomeja tai molekyylejä suurempien kappaleiden välillä.

Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen professori Mika Sillanpään johtama tutkijaryhmä on kuitenkin nyt osoittanut toisin. Tulokset on juuri julkaistu tiedemaailman arvostetuimmassa julkaisussa, brittiläisessä Nature-lehdessä.

Tutkijat onnistuivat laboratoriomittauksissaan saamaan kaksi lähes paljaalla silmällä havaittavaa, liikkuvaa kappaletta lomittuneeseen kvanttitilaan, jossa ne tuntevat toisensa haamuvuorovaikutuksen välityksellä. Kokeissa käytettiin kahta värähtelevää, alumiinista piisirulle valmistettua rumpukalvoa. Rummut ovat makroskooppisia atomien kokoluokkaan verrattuna, leveydeltään ohuen hiuksen paksuisia.

”Menetelmässä värähtelevät kappaleet saadaan lomittuneeseen kvanttitilaan suprajohtavan, mikroaaltotaajuisen antennin avulla. Sähkömagneettiset kentät toimivat alustana, joka imee rumpukalvojen liikkeestä lämpöhäiriöitä ja jättää jäljelle heikot kvanttimekaaniset värähtelyt”, selittää professori Mika Sillanpää.

Ympäristön häiriöiden eliminointi on mittauksissa ensiarvoisen tärkeää, joten ne suoritettiin hyvin matalassa lämpötilassa lähellä absoluuttista nollapistettä −273,15 °C. Rumpukalvot saatiin pysymään mittauksissa lomittuneessa kvanttitilassa huomattavan pitkän ajan, jopa puoli tuntia.  Alkeishiukkasille tehdyissä mittauksissa lomittuminen on taas kestänyt vain sekunnin murto-osia.

"Tällaiset mittaukset ovat todella haastavia mutta äärimmäisen kiehtovia. Seuraavaksi aiomme yrittää mekaanisten kvanttitilojen teleportaatiota. Kvanttiteleportaatiossa kappaleiden ominaisuudet voidaan haamuvuorovaikutuksen avulla siirtää mielivaltaisen kauas. Olemme toki vielä melko kaukana Star Trekistä”, kertoo Aalto-yliopiston tutkijatohtori Caspar Ockeloen-Korppi, artikkelin pääkirjoittaja.

Tutkijat ovat kyenneet nyt siis hallitsemaan lähes arkielämän mittakaavan kokoisten kappaleiden kaikkein hienovaraisimpia fysikaalisia ominaisuuksia. Tulevaisuudessa lomittuneita rumpukalvoja voi käyttää kvanttiteknologiaa hyödyntävissä laitteissa esimerkiksi reitittiminä tai herkkinä antureina. Ne voivat myös edistää perustutkimusta kvanttimekaniikan ja painovoiman huonosti ymmärretystä yhteydestä.

Työhön osallistui tutkijoita Aalto-yliopiston lisäksi University of New South Wales Canberrasta Australiasta, University of Chicagosta Yhdysvalloista sekä Jyväskylän yliopistosta. He kehittivät alkuperäisen teoreettisen idean kokeessa käytetystä menetelmästä.

Mittauksissa käytettiin Otaniemen mikro- ja nanoteknologian kansallisen tutkimusinfrastruktuurin (OtaNano) laitteistoja. Tutkimusta rahoittivat myös Euroopan tutkimusneuvosto ERC, EU:n tutkimuksen H2020 puiteohjelma sekä Suomen Akatemia.

Tutkimusartikkeli: C. F. Ockeloen-Korppi, E. Damskägg, J.-M. Pirkkalainen, A. A. Clerk, F. Massel, M. J. Woolley, M. A. Sillanpää: ‘Stabilized entanglement of massive mechanical oscillators’. Nature 556, 7702 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0038-x.

Lisätietoja:

Mika Sillanpää, professori
Aalto-yliopisto, teknillisen fysiikan laitos
[email protected]
puh. +358 50 344 7330

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Puinen kasvihuone
Mediatiedotteet Julkaistu:

Täysin tiivis puukasvihuone voi mullistaa vertikaaliviljelyn – niin Suomen pakkasissa kuin Saharan paahteessa

Vedenkulutus pienenee jopa 95 prosenttia ja energiankulutuskin puolella perinteiseen kasvihuoneeseen verrattuna. Patentoitu koivuvanerirakenne on niin kestävä, että se voisi jopa haastaa betonin maanalaisessa rakentamisessa.
KQCircuits Chip Design. Picture: IQM.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Uusi, ilmainen ohjelmistotyökalu vauhdittaa kvanttitietokoneiden kehittämistä

IQM Quantum Computers julkisti tänään yhdessä Aalto-yliopiston kanssa kehitetyn avoimen lähdekoodin ohjelmistotyökalun, joka automatisoi kvanttiprosessorien suunnittelun.
Tree on lawn
Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Tutkijat: Viherrakentaminen on hiilinielu – mutta sen teholle ei ole kunnon mittareita

Rakentamisesta tutut ympäristöselosteet eivät toimi, kun arvioidaan kasvien ja maaperän kykyä sitoa hiiltä.
Etäläsnäolorobotin toimivuutta testattiin projektin aikana eri kohteissa ja palaute oli positiivista. Kuva: VTT
Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Tutkijat: Palvelurobotiikka on osa hoitajien työtä kymmenen vuoden kuluttua

Kuusivuotisessa ROSE-hankkeessa testattiin muun muassa etäläsnäolorobotteja ja hoitajien voimaliivejä. Kokemukset olivat positiivisia, mutta robotiikan tekninen kehitys ei ole vielä kaikilta osin vaadittavalla tasolla. Hanke on julkaissut tiekartan hoivarobotiikan kestävään laajamittaiseen hyödyntämiseen.